Nel dicembre 2015, a bordo del vettore Long March 2D, entra in orbita l’esperimento DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) con l’obiettivo di cercare indizi sulla materia oscura attraverso lo studio diretto della radiazione cosmica. La missione, promossa dall’Agenzia spaziale cinese, è il frutto di un’ampia collaborazione internazionale tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – con le sezioni di Perugia, Bari, Lecce e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso –, la Chinese Academy of Sciences, il Gran Sasso Science Institute, le Università di Perugia, Bari e del Salento, e l’Università di Ginevra. Conta oltre 150 tra scienziati, scienziate, tecnici e dottorandi che, per la componente cinese, afferiscono a varie istituzioni guidate dal Purple Mountain Observatory di Nanjing.
Proprio a Nanjing, oggi, 17 dicembre 2025, si celebrano i dieci anni di presa dati della missione, nell’ambito dell’International Workshop on Cosmic Ray Direct Detection and Physics, una preziosa occasione per guardare allo stato dell’arte della fisica in questo campo, attraverso la testimonianza di chi ha condotto esperimenti nello spazio o al suolo per lo studio dei raggi cosmici (particelle altamente energetiche di origine astrofisica, che investono incessantemente il nostro pianeta). Anche la Collaborazione DAMPE coglierà l’opportunità per fare il punto sulle analisi in corso e discutere i risultati più recenti dell’esperimento, a cui ha contribuito in modo significativo la componente italiana.
“Siamo davvero orgogliosi del traguardo raggiunto”, ha commentato Giovanni Ambrosi, iniziatore italiano dell’esperimento e ricercatore della sezione INFN di Perugia. “Nel corso di questi dieci anni abbiamo ottenuto diversi risultati importanti, grazie all’eccellente funzionamento del rivelatore, al prezioso lavoro di tutti i componenti della collaborazione e all’ottima qualità dell’analisi dei dati”.
Tra i risultati più significativi dell’esperimento DAMPE possiamo annoverare: la scoperta della repentina diminuzione del flusso di elettroni e positroni cosmici a circa 1 TeV (Nature 552, 63, 2017); la misura diretta del flusso di protoni (Sci. Adv. 5, 2019) e dei nuclei di elio cosmici (Phys. Rev. Lett. 126, 2021) fino a energie elevatissime, dell’ordine di 100 TeV, così come dei nuclei cosmici degli elementi più pesanti – dall’elio fino al nichel –, grazie alla capacità del rivelatore di identificare con grande accuratezza la natura delle particelle (si veda per esempio Phys. Rev. Lett. 134, 2025 sulla misura del flusso dei nuclei di boro); e la misura del flusso combinato di protoni e nuclei di elio fino a 500 TeV – energia mai raggiunta prima con misure dirette – che ha consentito il raccordo con le misure effettuate da terra, tipicamente affette da grandi incertezze, e ha colmato il divario energetico tra osservazioni dirette e indirette (Phys. Rev. D 109, 2024).
Di particolare rilievo sono anche le misure, caratterizzate un’accuratezza e un’estensione in energia senza precedenti, dei rapporti tra i flussi di nuclei di specie diverse al variare dell’energia (per esempio l’abbondanza relativa del boro rispetto al carbonio e all’ossigeno, Science Bulletin 67, 2022), che forniscono informazioni fondamentali sui meccanismi di produzione e propagazione dei raggi cosmici nella galassia. In questo contesto si inseriscono i più recenti risultati sugli spettri energetici dei nuclei cosmici: la Collaborazione DAMPE ha infatti osservato un’attenuazione marcata, detta softening, del flusso con l’aumentare delle energie (già nota per protoni ed elio) manifestarsi in modo sistematico anche per nuclei più pesanti (carbonio, ossigeno, ferro), come mostrato in un recente lavoro sottomesso a Nature e attualmente disponibile su arXiv. La scala energetica a cui compare il softening sembra dipendere dal numero atomico Z piuttosto che dalla massa del nucleo, suggerendo l’esistenza di una caratteristica universale degli spettri energetici dei nuclei dei raggi cosmici, dall’idrogeno (Z=1) al ferro (Z=26), con importanti implicazioni per l’identificazione delle sorgenti galattiche e dei meccanismi di accelerazione.
“Le misure di DAMPE stanno aggiungendo tasselli fondamentali al complesso e ancora incompleto quadro sulla radiazione cosmica”, affermano i responsabili dei gruppi italiani di analisi dei dati. “L’implementazione di tecniche di machine learning nell’analisi dei dati ha migliorato in modo significativo la qualità della selezione e ricostruzione degli eventi, permettendoci di elaborare indicazioni preziose sull’origine e sui meccanismi di accelerazione e propagazione della radiazione cosmica all’interno della galassia”.
Grazie alla capacità di misurare con grande precisione la direzione di arrivo delle particelle e dei fotoni cosmici e di distinguere questi ultimi dalle particelle cariche, DAMPE è inoltre in grado di operare come un telescopio per raggi gamma – ha osservato e studiato, ad oggi, quasi 400 sorgenti di raggi gamma galattiche ed extragalattiche –, e la sua capacità di identificazione dei fotoni si è rivelata fondamentale nella ricerca di particelle provenienti dalla materia oscura (Science Bulletin 67, 2022).
L’esperimento DAMPE è costituito da tre sottosistemi principali: un calorimetro a cristalli di germanato di bismuto, che consente di misurare l’energia dei raggi cosmici con una risoluzione eccellente; un rivelatore di carica, collocato sulla sommità dell’apparato e realizzato con due strati di scintillatori plastici che emettono luce al passaggio delle particelle; un tracciatore composto da strisce di silicio e fogli di tungsteno, in grado di ricostruire con precisione la direzione di arrivo dei raggi cosmici. Quest’ultimo è stato realizzato in Italia sotto il coordinamento della sezione INFN di Perugia, e in generale, la componente italiana ha rivestito un ruolo di primo piano sia nella realizzazione sia nella conduzione dell’esperimento. I gruppi italiani hanno partecipato alle fasi di progettazione, costruzione e messa a punto dell’apparato, hanno coordinato il collaudo dei rivelatori su fasci di protoni, elettroni e ioni presso gli acceleratori del CERN di Ginevra, e contribuiscono tuttora in modo significativo allo sviluppo dei software di analisi e simulazione dei dati.
Benché la missione fosse programmata per durare “almeno cinque anni”, il rivelatore è ancora in ottimo stato e promette di fornire dati interessanti ben oltre i dieci anni di attività appena compiuti.
Per approfondire
Sito web dell’esperimento DAMPE
Video della missione DAMPE
